FUNDAMENTOS DO SENSORIAMENTO REMOTO E METODOLOGIAS DE APLICAÇÃO

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1 Atualização do Livro FUNDAMENTOS DO SENSORIAMENTO REMOTO E METODOLOGIAS DE APLICAÇÃO O assunto contido nesta revisão tem como objetivo complementar e/ou esclarecer melhor, alguns tópicos sobre sistemas sensores, inseridos no livro de Fundamentos do Sensoriamento Remoto e Metodologias de Aplicação, lançado recentemente por mim. Assim, foi transcrito e revisado somente as partes que julgou necessário para torná-lo mais esclarecedor daquilo que foi dito no livro. O autor SISTEMAS SENSORES Mauricio Alves Moreira Pesquisador Titular Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE INPE Agosto

2 1.INTRODUÇÃO A radiação eletromagnética ao interagir com os alvos da superfície terrestre pode ser absorvida, refletida, transmitida e emitida por eles seletivamente. As proporções de cada uma dessas componentes da interação dependem dos fatores ambientais e os inerentes a cada alvo. Por exemplo, a quantidade de energia refletida por uma planta é função de características intrínsecas desta, mas que pode ser alterada se a planta for submetida a estresses, tais como: desequilíbrio nutricional, déficit hídrico, ataque de pragas e doenças, efeitos climáticos adversos, etc. Aliado a isso, tem-se as condições do meio ambiente, responsáveis pela atenuação da energia, durante o percurso da radiação do alvo até o local onde é quantificada. Conhecendo o comportamento espectral da radiação refletida e/ou emitida de diferentes alvos da superfície terrestre, é possível identificar alvos semelhantes, em outros locais, baseado apenas nas semelhanças do comportamento espectral. Por outro lado, se um determinado alvo tem um comportamento espectral conhecido, qualquer anormalia que ocorrer neste alvo é manifestado na quantidade de energia refletida ou emitida por ele. Logo, é de se pensar que a quantificação e análise da energia refletida e/ou emitida pelos alvos pode ser utilizada como um parâmetro identificador de cada tipo de alvo da superfície terrestre. De diante desses conhecimentos, pode-se perguntar. Como quantificar essa energia? Existem pelos menos dois processos utilizados para quantificar essa energia: os processos de contato (por exemplo, os termômetros usados para medir temperatura, a introdução de sensores intrafoliar, etc) e os processos através de sensoriamento remoto. Quanto ao primeiro procedimento, isto é, contato direto,embora seja um método preciso não é interesse do sensoriamento remoto, tendo em vista que o objetivo maior é o estudo de alvos em grandes áreas. Neste caso, resta a segunda opção que é usar instrumentos que possam medir a energia refletida ou emitida pelos alvos sem tocá-los. Assim, se construir equipamentos capazes de registrarem a radiação refletida e/ou emitida pelos alvos pode-se obter curvas das quantidades dessas energias e, assim, caracterizar cada alvo da cena dentro do campo de visada do sensor. As curvas espectrais contidas na Figura 1 representam a energia refletida por diferentes tipos de alvos da superfície terrestre e servem para ilustrar o que foi dito acima. 2

3 Fig.1 Curvas espectrais de diferentes alvos Conforme se pode observar na figura acima, cada um dos cinco alvos representados apresenta, nessa faixa do espectro eletromagnético (0,4 0,9 µm), um comportamento espectral típico o que o diferencia dos demais. Assim, é possível traçar curvas espectrais de todos os alvos da superfície terrestre, desde que exista um equipamento capaz de registrar essas quantidades de energias. 2. Definição Sensores são dispositivos capazes de detectar e registrar a radiação eletromagnética, em determinada faixa do espectro eletromagnético, e gerar informações que possam ser transformadas num produto passível de interpretação, quer seja na forma de imagem, na forma gráfica ou de tabelas, conforme é mostrado na Figura 2. 3

4 Fig.2 Produtos gerados a partir de dados coletados pelos sistemas sensores. 3 CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES Um sistema sensor é constituído basicamente por um coletor, que pode ser um conjunto de lente, espelho ou antena, e um sistema de registro (detetor) que pode ser um filme ou outros dispositivos e um processador, conforme é ilustrado na Figura 3. Fig. 3 Partes componentes de um sistema sensor. Os sistemas sensores podem ser classificados quanto: à fonte de radiação, ao princípio de funcionamento e ao tipo de produto, conforme é resumido na Figura 4. 4

5 Fig.4 Classificação dos sistemas sensores quanto à categoria, tipo de produto e fonte de radiação Quanto a Fonte de Radiação Os sensores que medem a radiação refletida e/ou emitidas pelos alvos, que provém de uma fonte externa (e.x. do sol), são denominados de sensores passivos, porque eles não possuem radiação própria, isto é, dependem de uma fonte de iluminação externa, conforme é ilustrado na Figura 5A. Fig 5 Esquema para ilustrar um sensor passivo (A) e um sensor ativo (B). Observe na Figura 5A que a radiação que incide nos alvos da superfície terrestre provém do sol (fonte externa). Essa radiação ao interagir com os alvos parte dela é 5

6 refletida, indo atingir o detetor de um sistema sensor que, eventualmente, esteja sobre a área irradiada. Nesta categoria de sensores temos o SPECTRON-SE590, o Mapeador Temático (TM) do Landsat, o Haut Resolution Visible (HRV) do SPOT, etc. Por outro lado, se o sistema sensor possui uma fonte de radiação, isto é, não depende de uma fonte externa para irradiar o alvo, ele é dito ativo. Neste caso, o sensor emite um fluxo de radiação em determinada faixa espectral que interage com os alvos na superfície da Terra e a parte que é refletida é, então, captada pelo sensor. Como exemplo de sistema ativos têm-se os radares, o laser, radiômetros de microondas e câmaras fotográficas quando utilizam como fonte de radiação o flash (Figura 5B) Quanto ao Princípio de Funcionamento Os sensores passivos e ativos são agrupados em duas categorias quanto ao principio de funcionamento: de varredura ( scanning ) e de não-varredura ( non scanning ). Os sistemas sensores de não-varredura registram a radiação refletida de uma área da superfície da Terra em sua totalidade num mesmo instante. Por essa razão, são também conhecidos por sensores de quadro ( freming systems ). Os dados de radiação coletados por esses sensores podem ser expressos em duas formas: imagem e nãoimagem (gráfica ou numérico). Nessa categoria temos os sistemas fotográficos (forma imagem) e os radiômetros (não forma imagem). Por outro lado, nos sistemas sensores de varredura (scanning systems ), a imagem da cena é formada pela aquisição seqüencial de imagens elementares do terreno ou elemento de resolução, também chamado de pixel (Novo, 1992). Conforme exemplificado na Figura 4, temos os sensores eletro-óptico-mecânicos, as câmeras CCD, os radares, entre outros. Na literatura podem ser encontradas outras maneiras de classificar os sistemas sensores. Entretanto, todas elas têm como base à fonte de radiação e o produto gerado. Por exemplo, Novo (1992) adota a classificação dos sistemas sensores em duas categorias: imageadores e não-imageadores, levando-se em conta a fonte de radiação (passivos e ativos). Na categoria dos sistemas não-imageadores incluem-se os radiômetros e, na categoria de imageadores os sistemas fotográficos, sensores de varredura eletro-óptico-mecânicos, os radares de visada lateral, etc. 3.3 Quanto ao Tipo de Produto Quanto ao tipo de produto os sistemas são classificados em sistemas fotográficos e não-fotográficos. Nesse caso, os sistemas não-fotográficos incluem os não imageadores e imageadores. A idéia de classificar os sensores nas categorias fotográficos e não-fotográficos é justamente para distinguir o processo de registro da radiação e a forma do produto deles gerados. Por exemplo, enquanto nos produtos fotográficos a energia é representada de maneira continua (analógica), nos produtos gerados de sensores não-fotográficos imageadores a energia é representada em quantidade discreta. Os sistemas fotográficos são dispositivos que, através de um sistema óptico (conjunto de lentes), registram a energia refletida pelos alvos da superfície da Terra em uma película fotossensível, que são os filmes fotográficos (detetores). Para os objetivos do sensoriamento remoto, os sistemas fotográficos mais utilizados são aqueles aerotransportados, entre eles podemos citar as câmeras métricas. 6

7 Sensores não-fotográficos são dispositivos utilizados para medir a intensidade da radiação eletromagnética, proveniente dos alvos de uma superfície da Terra, em determinadas faixas espectrais do espectro eletromagnético. Os equipamentos que dispõem de sistemas sensores não-fotográficos são chamados de radiômetros. Por outro lado, os radiômetros são sistemas passivos que medem a intensidade da energia radiante (radiância), proveniente de todos os pontos de uma superfície, dentro do campo de visada (FOV), em determinadas regiões espectrais do espectro eletromagnético. Essas regiões, geralmente, são selecionadas através de um filtro que bloqueia o restante da radiação que incide no sistema. Os radiômetros podem ser classificados como não-imageadores e imageadores Radiômetros não-imageadores Os radiômetros não-imageadores medem a radiância do alvo e apresentam os dados em forma de gráfico ou numéricos. Quando um radiômetro expressa os dados na forma numérica, ele é dito radiômetro de banda. Nesse caso, o equipamento registra a radiação que provem dos alvos em faixas largas do espectro eletromagnético. Como exemplo, poderíamos citar o radiômetro Exotech, que opera em 4 faixas espectrais (0,5 µm 0,6 µm; 0,6 µm 0,7 µm; 0,7 µm 0,8 µm; 0,8 1,1 µm). O valor da radiância gerado em cada uma dessas faixas ou bandas espectrais, corresponde a um valor médio da radiância em cada comprimento de onda contido nessas faixas ou bandas espectrais. É bom salientar que existem radiômetros de bandas que operam somente numa dada faixa espectral, como é o caso do thermopoint (opera de 8 µm a 14 µm), utilizado para medir temperatura de alvos ou o sensor quântico de linha (LAI 2000) que opera na banda espectral de 400 nm a 700 nm, empregado para medir a radiação fotossinteticamente ativa. A maioria desses sensores opera nas regiões espectrais do infravermelho termal (8,0 µm a 14,0 µm) e microondas (0,3 µm a 30 µm). Os radiômetros, cujos dados permitem obter uma curva dos valores da radiância, numa determinada faixa do espectro eletromagnético, recebem a denominação de espectrorradiômetros. Como exemplo de um espectrorradiômetro temos O SPECTRON SE590 que fornece 255 valores da radiância proveniente do alvo, na faixa espectral entre 400 nm a 1100 nm. Assim, enquanto no primeiro caso obtem-se alguns valores da radiância ou da energia emitida, no segundo é possível obter um número bem maior desses valores que permite traçar uma curva de representação da energia refletida pelos alvos Radiômetros imageadores Os radiômetros imageadores são equipamentos cujos resultados finais são em forma de imagens de uma área (cena) no terreno. Nestes equipamentos, o elemento de resolução do terreno (ERT) se desloca gerando uma linha de varredura. Sob a designação de imageadores ( scanners ) há uma grande variedade de sistemas sensores não-fotográficos, que registram a radiação eletromagnética em diferentes faixas do espectro eletromagnético, desde o ultravioleta até o infravermelho distante (aproximadamente de 0,2 µm até 14 µm). As características dos sistemas sensores não-fotográficos imageadores em geral são expressas em função de quatro domínios de resolução, a saber: espectral, espacial ou geométrica, temporal e radiométrica, sobre as quais discutiremos a seguir: 7

8 Resolução espectral: refere-se ao poder de resolução que o sensor tem para discriminar diferentes alvos sobre a superfície terrestre. Em outras palavras, refere-se à melhor ou à pior caracterização dos alvos em função da largura da banda espectral em que o sensor opera. Quanto mais fina for a largura de faixa que opera um determinado sensor, melhor é sua resolução espectral. Por outro lado, se um sistema sensor possui detetores operando em mais de uma faixa espectral, do espectro eletromagnético, o sistema é dito multiespectral, porque registra a radiação eletromagnética proveniente dos alvos em varias faixas espectrais, como exemplo, os sistemas sensores a bordo dos satélites Landsat dos quais falaremos mais adiante. Às vezes, no próprio sistema sensor há diferentes resoluções espectrais. Por exemplo, o sensor MSS do Landsat opera em quatro bandas espectrais, ou seja, MSS-4 ( nm), MSS-5 ( nm), MSS-6 ( nm) e MSS-7 ( nm). A resolução espectral das bandas MSS4, 5 e 6 é de 100 nm, enquanto que da banda MSS-7 é de 300 nm. Resolução espacial ou geométrica: refere-se ao campo de visada instantânea (IFOV, do inglês, Instantaneous Field of View). A resolução espacial de um sistema de imageamento não é um conceito fácil de definir (Mather, 1987). Segundo o autor, ela pode ser avaliada de inúmeras maneiras, dependendo dos objetivos do usuário. Townshend (1980) utiliza alguns critérios baseados nas propriedades geométricas do sistema de imageamento para definir a resolução espacial: a) habilidade de distinguir os alvos entre si; b) habilidade para medir a periodicidade de alvos repetitivos e a habilidade para medir as propriedades espectrais de pequenos alvos. O IFOV corresponde a área sobre o terreno que, no terreno, é vista pelo sistema sensor a uma dada altitude num dado instante de tempo. O IFOV pode ser medido de duas maneiras: em relação ao ângulo de incidência ou em relação a uma distância no terreno (X,Y), conforme é mostrado na Figura 6A. Na realidade a distância X,Y corresponde a diagonal do circulo (Mather, 1987). Fig. 6 Esquema para representar o IFOV e PSF 8

9 O IFOV é a medida de resolução mais freqüentemente citada, embora não seja necessariamente a mais prática. A fonte de radiância (ponto no terreno) é visto sobre uma imagem como uma região circular difusa. Este fato, torna a distribuição da energia do tipo Gaussiana, conforme é mostrado na Figura 6B. Neste caso a energia depende das propriedades ópticas dos componentes do sistema e do brilho (brightness) relativo da fonte de radiação (alvo). Essa distribuição, recebe a denominação de Função de Difusão do Ponto (PSF). Logo, a definição de resolução espacial em função do IFOV não é então completamente satisfatória é feita somente com base na resolução geométrica, não levando em consideração as propriedades ópticas da fonte (alvo). Porém é a mais utilizada e é a que foi adotada neste documento, para definir resolução geométrica ou espacial. O IFOV ou o PSF não pode ser confundido com o tamanho do pixel. Uma imagem digital, como os dados de satélites, é um conjunto ordenado de valores numéricos, em que cada valor está relacionado com a radiância de uma área no terreno representada por uma simples célula ou pixel. A dimensão do pixel não necessariamente está relacionada ao IFOV. Para tornar mais claro o que foi dito, tomemos como exemplo o que acontece no sensor MSS (Multispectral Scanner Subsystem). A energia refletida da superfície da Terra é direcionada pelo espelho giratório a uma fibra óptica, a qual transmite essa energia para uma série de filtros. Estes filtros separam o sinal que chega em quatro bandas espectrais. Cada uma das 4 bandas do MSS tem um conjunto de seis detetores os quais gera sinais análogos proporcionais a energia que chega. Esses sinais análogos são amostrados a cada 9,958 µs, correspondendo a 56 metros no terreno. Uma vez que o IFOV do MSS é normalmente de 79 m, isto significa que uma amostra desse sinal (amostrado) está relacionada com uma área de 79 m na direção do movimento do satélite e 56 m na direção transversal (tamanho relacionado com 9,958 µs). Assim, teremos uma área de 56 m na direção da varredura do sensor e de 79 m na direção do deslocamento do satélite. Esse tamanho do pixel (56m x 79 m) é menor do que o tamanho nominal do IFOV. Para que o Pixel tenha o tamanho de 79 m x79 m, conforme é o tamanho do pixel do MSS, há uma amostragem de cerca de 40% na direção transversal. Depois que houve a amostragem, o sinal e convertido de analógico em digital (valores discretos) com uma resolução radiométrica de 6 bits (64 níveis) e é transmitido para estações de rastreamento no solo. O que implicaria nos dados orbitais essa melhoria da resolução espacial, ou seja, colocar satélites com sensores com IFOV menores? Imaginemos o IFOV do MSS (80m x80m = m 2 ). Se nessa área tivermos três alvos distintos (mata, pasto e cultura), nos dados coletados pelo MSS a radiância resultante desses alvos (radiância média) resultará em um único sinal, conseqüentemente, os alvos não poderão ser individualizados nas imagens do MSS. Por outro lado, essa mesma área para ser coberta pelo sensor TM (Thematic Mapper, IFOV= 30m x 30 m ou 900 m 2 ) seria necessários quase 9 "pixels" do TM. Isto significa que os alvos que nos dados do MSS não são individualizados, agora com os dados do TM é possível distinguir três valores de radiância na área de 6.400m 2. Logo, para certos objetivos, o uso de dados do TM é melhor do que do MSS. Na Figura 7 é mostrado como isso pode ser possível. É bom salientar que os pixels de bordas, isto é, localizados entre dois alvos distintos, no caso mata e cultura ou pasto e cultura ou ainda pasto e mata, continuam sendo pixels que contem uma mistura de energia refletida pelos dois alvos. Para esses pixels a radiância (energia refletida) será representada pelos alvos dominante. No nosso 9

10 exemplo, se o pasto tiver mais fitomassa do que a cultura os pixels de bordas terão valores de reflectância mais parecidos com aqueles dentro da área de pastagem. Fig 7 Esquema para mostrar o efeito do uso de IFVO menores. Na Figura 8 são mostradas imagens obtidas por diferentes sensores com resoluções espaciais diferentes (sensores com diferentes IFOVs). Fig.8 Imagens do Landsat/TM, do SPOT/PAN, do IKONOS de São José dos Campos, SP, com resoluções espaciais de 30, 10, 1 e 4 m, para uma escala de 1:

11 Para sistemas imageadores aerotransportados o IFOV, normalmente, varia de 1 a 2,5 miliradiano (mrad), isto é, de uma altura de metros a resolução no solo é de 1 a 2,5 m (Chipman, 1990), enquanto que para os sensores MSS do Landsat a resolução é cerca de 0,083 miliradiano, o que equivale a uma resolução no terreno de aproximadamente 79 m x 79 m ou a uma área de m 2. Já o sensor TM tem uma resolução espacial de 0,032 mrad o que resulta numa resolução no solo de 30 m x 30 m (área de 900 m 2 ). Isto, sob o ponto de vista de mapeamento de áreas agrícolas por exemplo, significa que o cálculo de área segue à seguinte ordem de precisão: sensores aerotransportados > sensor TM > sensor MSS. Resolução temporal: esta resolução é função das características da plataforma na qual o sensor está colocado. No caso de sistemas sensores orbitais, a resolução temporal indica o intervalo de tempo que o satélite leva para voltar a recobrir a área de interesse. Isso depende da largura da faixa imageada no solo. Por exemplo, o sensor TM do Landsat-5 tem uma resolução temporal de 16 dias, isto é, a cada 16 dias o Ladsat-5 passa sobre um mesmo ponto geográfico da Terra. Assim, nós dizemos que a resolução temporal do sensor TM é de 16 dias. Já os sistemas sensores a bordo do satélite NOAA têm uma resolução temporal de 9 dias, no entanto, como a largura de faixa é muito grande, é possível obter dados diários sobre um mesmo ponto. A resolução temporal é muito importante porque permite fazer um acompanhamento dinâmico dos alvos sobre a superfície da Terra. Resolução Radiométrica: a radiação eletromagnética, refletida e/ou emitida pelos alvos da superfície terrestre, possui valor de intensidade que difere de um alvo para outro. Por exemplo, para certos comprimentos de onda, uma vegetação reflete e/ou emite muito menos energia do que uma placa de zinco. Entretanto, certos alvos, apesar de serem diferentes, refletem ou emitem a radiação eletromagnética com valores de intensidade muito próximos entre si, tornando-se quase idênticos espectralmente. Assim, a resolução radiométrica de um sensor refere-se à capacidade que este sensor tem de poder discriminar, numa área imageada, alvos com pequenas diferenças de radiação refletida e/ou emitida. Por outro lado, a radiação ao incidir no detetor é transformada em sinal elétrico, ampliada e retransmitida para um sistema de recepção ou gravada em dispositivos (gravadores), contidos na plataforma. Desta forma, pode-se dizer que a resolução radiométrica está associada à capacidade do sistema sensor em discriminar sinais elétricos com pequenas diferenças de intensidade. Para representar esses valores da intensidade do sinal elétrico, que são enviados ou gravados a bordo, atribui-se tons de cinza, que variam de escuro, para o valor de intensidade igual ou próximo de zero, e cinza claro para o maior valor de máxima intensidade. Entre estes dois extremos, associam-se tons de cinza que variam do escuro ao claro, sendo, geralmente, denominados por cinza-claro, cinza-médio, cinza médioescuro, etc. A quantidade de níveis de cinza que um dado produto de satélite pode apresentar depende do sistema de gravação do sensor. Por exemplo, se os sinais são gravados em 2 bits, a resolução radiométrica será de 4 níveis digitais ou níveis de cinza. Isso quer dizer que, se numa dada área imageada por este sensor, tiver 50 alvos com reflectâncias diferentes, essas reflectâncias serão representadas por apenas 4 níveis de cinza. Dá para perceber que muitos desses alvos serão agrupados numa única classe, ou seja, haverá um agrupamento de alvos cujos valores de reflectâncias serão próximos entre si, devido à pequena variação de nível de cinza. Para calcular a resolução radiométrica emprega-se 11

12 a expressão 2 n, sendo n o número de bits utilizados na gravação. O exemplo a seguir ilustra bem o que foi discutido acima. Imagine dois sensores A e B. O sensor A grava os sinais elétricos em 4 bits e o sensor B, em 5 bits. Para saber a resolução radiométrica de cada um emprega-se a expressão 2 n. Assim, o sensor A tem uma resolução radiométrica de 16 níveis digitais (2 4 = 16), enquanto que a do sensor B será de 32 (2 5 = 32). Isto quer dizer que o sensor A só é capaz de separar em 16 níveis toda gama de valores de intensidade da radiação refletida e/ou emitida pelos alvos da área imageada. Já o sensor B consegue individualizar 32 níveis. Logo, a resolução radiométrica do sensor B é melhor do que a do sensor A. Na Figura 9 pode-se ver duas imagens de Brasília com dois e quatro níveis de cinza. Fig.9 Simulação de uma imagem do Landsat-TM com dois e quatro níveis de cinzaobtida sobre a cidade de Brasília. Em alguns sistemas imageadores o sinal proveniente de um detetor modula a cintilação de uma lâmpada, cuja luz impressiona um filme fotográfico, segundo linhas perpendiculares ao comprimento do mesmo. Desta forma, obtém-se uma imagem muito parecida a uma fotografia convencional. Entretanto, na maioria dos sistemas imageadores, o sinal proveniente dos detetores é gravado em fitas magnéticas, ou no caso de satélites não tripulados, é transmitido para estações terrenas, como exemplo, a estação de recepção de dados de satélites, localizada em Cuiabá MT. 4. NÍVEIS DE COLETA DE DADOS ESPECTRAIS O procedimento de aquisição das medidas das propriedades espectrais dos alvos da superfície terrestre, através dos sistemas sensores, pode ser feito em três níveis: terrestre, suborbital e orbital. No nível terrestre, os sistemas sensores podem, ainda, ser instalados em mastros, colocados em barcos, fixados em bóias ou fixados dentro de laboratórios. No nível suborbital, geralmente, utiliza-se como plataforma de coleta de dados aeronaves, e para o nível orbital, empregam-se os satélites não tripulados e balões, como pode ser visto na Figura 10. Há também sistemas sensores que são utilizados em plataformas orbitais tripuladas, porém de uso mais específico para pesquisa. 12

13 Fig. 10 Níveis de coleta da energia refletida e/ou emitida pelos alvos na superfície da Terra. A utilização de um dado sensor ou de outro, num determinado nível de coleta de informações espectrais, depende, sobretudo, de fatores relacionados com: a) objetivo da pesquisa; b) tamanho da área imageada; c) disponibilidade de equipamentos sensores e d) custo e precisão desejada dos resultados obtidos. Entretanto, alguns sistemas sensores são mais exaustivamente utilizados em determinados níveis de coleta de dados do que outros. Por exemplo, os radiômetros portáteis e os espectrorradiômetros são equipamentos muito utilizados para obter informações espectrais em áreas experimentais. Os sensores fotográficos (Câmeras fotogramétricas) e, mais recentemente, os radiômetros hiperespectrais são aerotransportados porque são equipamentos com configuração para operar neste tipo de plataforma, ou seja, em nível aéreo. Os scanners (imageadores) são muito utilizados em satélites não tripulados como no Landsat, no SPOT, entre outros. 5. SENSORES UTILIZADOS PARA COLETA DE DADOS EM NÍVEL ORBITAL A idéia de desenvolver um sistema sensor, para registrar a radiação refletida e/ou emitida pelos alvos da superfície terrestre, a partir de plataformas orbitais, surgiu após a análise das primeiras fotografias tiradas da Terra, durante os programas Mercury e Gemini. Para tanto, esses sistemas sensores deveriam ser capazes de produzir imagens instantâneas do terreno, de forma semelhante aos sistemas fotográficos que foram usados nos programas Mercury e Gemini. Desta maneira, foi concebido o sistema RBV (Retum Bean Vidicon), semelhante a uma câmera de televisão que permitia o registro instantâneo de uma certa área do terreno. O RBV operou nos dois primeiros satélites da série Landsat, em três bandas espectrais e, no Landsat 3, com apenas um canal 13

14 pancromático, com resolução espacial de 40m x 40m (pixel). A Tabela 1 contem algumas características do sistema RBV, que fez parte da carga útil dos satélites Landsat-1 e 2, (Novo, 1989). No RBV, a energia proveniente da área imageada provocava um estímulo elétrico numa superfície fotossensível do tubo da câmera e, durante um certo tempo, a entrada de energia era interrompida por um obturador, para que a imagem do terreno que havia sido imageada fosse varrida por um feixe de elétrons. O sinal de vídeo era então transmitido por telemetria. TABELA 1 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA RBV CANAL FAIXA ESPECTRAL (nm) REGIÃO ESPECTRAL RESOLUÇÃO ESPECIAL (m x m) AZUL-VERDE VERDE VERMELHA VERMELHO IV/PRÓXIMO 80 Após a concepção do RBV, muitos outros sistemas sensores orbitais foram desenvolvidos, para fins de coleta de informações de recursos naturais. Discutiremos a seguir, os princípios de funcionamento de alguns desses sistemas sensores mais conhecidos no nosso meio Imageadores Eletro-Óptico-Mecânico Os imageadores eletro-óptico-mecânicos basicamente são constituídos por um conjunto de espelhos giratórios ou prismas, para coletar a radiação eletromagnética proveniente dos alvos da superfície imageada; um sistema óptico, capaz de focar a energia coletada sobre detetores, que a convertem em um sinal elétrico (Figura 11). Fig.11 Esquema de um sistema sensor eletro-óptico-mecânico FONTE: adaptada de FAO (1989). 14

15 Princípio de funcionamento: a radiação eletromagnética proveniente dos alvos contidos dentro da faixa de terra imageada pelo sensor é coletada, inicialmente, pelo espelho giratório E1 (movimentado pelo motor M) e refletida para um segundo espelho parabólico E2. No espelho parabólico a radiação sofre nova reflexão indo atingir o espelho E3, que é um tipo de filtro que separa a radiação em duas componentes. A primeira componente consiste de radiações de ondas curtas que são transmitidas através do espelho indo incidir no detetor D1. A segunda componente corresponde às radiações de ondas longas que são refletidas para o detetor D2. Os detetores estão acoplados sob recipientes contendo nitrogênio líquido para refrigerar o sistema. Dois corpos negros CN1 e CN2 são colocados próximos aos espelhos giratórios, os quais emitem radiações sobre eles para calibração do sistema. Os imageadores eletro-óptico-mecânicos são sistemas com boa resolução espectral e baixa resolução geométrica ou espacial. Nesta categoria englobam-se, entre outros, o imageador MSS (Multispectral Scanner Subsystem) e o TM (Thematic Mapper), ambos constituintes da carga útil dos satélites da série Landsat Sistema Sensor MSS A rigor, o sistema MSS foi concebido na mesma época do desenvolvimento do sistema RBV. O RBV e o MSS foram os primeiros sistemas sensores colocados em órbita, no ano de 1972, com o objetivo de coletar dados sobre recursos naturais renováveis e não-renováveis da superfície terrestre. Ao contrário do RBV, que fez parte apenas nos três primeiros satélites da série Landsat, o sistema MSS foi e ainda é um dos sensores constituintes da carga útil de todos os satélites da série lançados até o momento (Landsat 1,2,3,4,5,6,e 7). O sistema MSS é composto de um espelho oscilante, uma parte óptica e um sistema detetor, que registra a radiação eletromagnética refletida pelos alvos da superfície terrestre, em quatro faixas ou bandas espectrais. Para cada faixa espectral há 6 detetores, permitindo, assim, imagear 6 linhas no terreno ao mesmo tempo. Os detetores produzem uma voltagem (entre 0 e 5 volts), que é proporcional à quantidade de radiação que chega até eles, proveniente dos alvos contidos nas linhas imageadas. A voltagem produzida é um sinal analógico que é convertido em valores digitais (quantizados) ou níveis de cinza variando de 0 a 63. Essa conversão representa a radiância ou brilho de cada alvo na área imageada. Na Figura 12 é mostrado um esquema da configuração básica do sistema sensor MSS. 15

16 Fig. 12 Esquema do imageador MSS e as partes constituintes. Nos três primeiros satélites (Landsat 1, 2 e 3), o sistema MSS foi colocado em órbita a uma altitude de 920 Km. Para dar uma volta em torno da Terra o satélite gastava 103 minutos e 27 segundos, totalizando, ao final de um dia, 14 faixas imageadas com largura de 185 km. Os satélites giravam numa órbita síncrona com o sol com um ângulo de inclinação em relação ao equador de 99º11', fazendo com que a órbita fosse quase polar em torno da Terra. A configuração da órbita dos três primeiros satélites foi estabelecida de tal modo que, a cada 18 dias, o sistema MSS imageava a mesma região da superfície terrestre, que havia sido imageada há 18 dias atrás, atribuindo assim uma resolução temporal ao sistema de 18 dias. Na Figura 13 pode ser vista a plataforma dos três primeiros satélites da série Landsat e um esquema do satélite com os seus principais componentes. Na Tabela 2, estão contidas informações sobre largura da faixa espectral, região do espectro e resolução espacial de cada conjunto de detetores que compõem o sistema MSS. 16

17 Fig. 13 Foto da plataforma dos satélites Landsat 1,2 e 3. FONTE: EOSAT (1992). TABELA 2 CARACTERÍSTICA ESPECTRAIS E ESPACIAIS DO SENSOR MSS Banda FAIXA ESPECTRAL REGIÃO DO ESPECTRO RESOLUÇÃO ESPACIAL nm µm (m x m) ,5 0,6 Verde ,6 0,7 Vermelho ,7 0,8 IVPróximo ,8 1,1 IVPróximo 80 Os detetores utilizados no MSS são tubos fotomultiplicadores para as bandas 4, 5 e 6 e, para a banda 7, emprega-se a liga metálica de diodo de silício. No Landsat-3, o sensor MSS era composto por mais um conjunto de detetores que operavam na faixa espectral do infravermelho termal (10,4 a 12,6 µm) com resolução espacial de 237m x 237 m Imageador TM A partir do ano de 1984, a NASA colocou em órbita o sensor TM (Thematic Mapper) com as mesmas características do MSS, porém com uma série de melhorias no que diz respeito às resoluções: espectral, espacial, temporal e radiométrica. Este sistema, assim como o MSS, passou a fazer parte da carga útil dos satélites Landsat-4, 5, 6 e 7, sendo que no Landsat-6 o sistema não chegou a operar, por motivo de destruição do satélite durante o lançamento. Na Figura 14, está contida a configuração da plataforma utilizada no Landsat 4, com destaque para o posicionamento do sensor TM, cujo esquema de funcionamento é mostrado na Figura 15. Entende-se como carga útil ( payload ) aqueles equipamentos que estão a bordo do satélite exclusivamente para a coleta de informações sobre a superfície Terrestre (Novo, 1989). 17

18 Fig. 14 Foto do satélite Landsat 4 com detalhe para o sensor TM Fig. 15 Sistema sensor Thematic Mapper - TM O sensor TM opera em 7 bandas espectrais do espectro eletromagnético sendo: 3 bandas na região do visível, 3 bandas na região do infravermelho refletido e 1 banda na região termal. A largura de faixa imageada também é de 185 km. A resolução espacial, 18

19 para os sensores que operam nas regiões do visível e infravermelho refletido, é de 30 m x 30 m e, para o sensor da região do termal é de 120 m x 120 m (Tabela 3). Na Figura 16 é mostrada parte de uma área no Estado do Rio de Janeiro, imageada nas sete bandas espectrais do TM do Landsat-5 No Landsat-7, lançado em 1999, foi adicionado um detetor que opera numa banda pancromática (520 a 900 nm), cuja resolução espacial é de 15m x 15 m. Para as demais bandas espectrais houve algumas modificações conforme são mostradas na Tabela 4 e Figura 17 e 18. TABELA 3 CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS E ESPACIAIS DO SENSOR TM Banda FAIXA ESPECTRAL REGIÃO DO ESPECTRO RESOLUÇÃO ESPACIAL Nm µm (m x m) ,45 0,52 Azul ,52 0,60 Verde ,63 0,69 Vermelho ,76 0,90 IV/Próximo ,55 1,75 IV/Médio ,4 12,5 IV/Termal ,08 2,35 IV/Médio 30 Fig. 16 Imagens de uma área no Estado do Rio de Janeiro, obtida nas sete bandas do sensor TM do Landsat-5. 19

20 TABELA 4 CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS E ESPACIAIS DO SENSOR ETM+ DO LANDSAT-7 Banda FAIXA ESPECTRAL REGIÃO DO ESPECTRO RESOLUÇÃO ESPACIAL Nm µm (m x m) ,45 0,52 Azul ,53 0,61 Verde ,63 0,69 Vermelho ,76 0,90 IV/Próximo ,55 1,75 IV/Médio ,4 12,5 IV/Termal ,08 2,35 IV/Médio 30 8 (PAN) ,52 0,90 VIS/IVPróximo 15 Fig. 17 Sensor ETM+ 20

21 Fig. 18 Esquema de funcionamento do sensor ETM+ FONTE: Observa-se, na Figura 16, que a intensidade da radiância proveniente dos alvos imageados difere de uma banda para outra. Essa mudança na intensidade da radiância é função da interação da radiação eletromagnética, na faixa considerada, com cada alvo dentro da área imageada. Na banda TM6 a energia coletada pelo sensor é proveniente de radiação emitida pelos alvos. Desta forma, a gradação de níveis de cinza dos alvos nesta imagem representa diferentes temperaturas de superfície. Nos demais casos, a gradação de níveis de cinza refere-se à maior ou menor energia refletida pelos alvos na faixa espectral que opera cada sensor. Enquanto que no sensor MSS há 6 detetores por banda, no TM cada banda espectral da região do visível e do infravermelho refletido é composta por 16 detetores. Para a banda do termal o sensor é composto por um conjunto de 4 detetores. Além disso, no TM a radiância que chega aos detetores é quantizada em 256 números digitais ou níveis de cinza, contra 64 níveis no MSS. A resolução temporal também foi melhorada em relação ao sensor MSS, passando de 18 dias (sensor MSS) para 16 dias. Os demais sistemas sensores passivos e ativos, segue conforme está no livro 21

22 Bibliografia e Sites consultados Chipmam, R. Iternational cooperation in the aquisition and dissemination of satellite remote sensing data. In: FAO Food and agriculture Organization of the United Nations. Rome, p FAO Food and agriculture Organization of the United Nations. Remote sensing applications to land resources. In: Proceendings. 14 th UN/FAO International Training Course in cooperation with the Government of Italy, Rome, Italy p _abs.html Novo, E.M.L.M. Sensoriamento Remoto: Princípios e Aplicações. São Paulo. Ed. Edgard Blucher, p Novo, E.M.L.M. Sensoriamento Remoto: Princípios e Aplicações. São Paulo. Ed. Edgard Blucher, 2a edição, p Mather, P.M. Computer processing of remotely-sensed images: An introdution. New York, Ed. John Wiley & Sons p. Townshend, J.R.G. The spatial resolving power of Earth resource satellites: a review. NASA Technical Memorandum Goddard Spaceflight Center, Greenbelt, Maryland